亚博足彩APP-岩石圈的变位

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垂直变位(vertical displacement) 是指岩石圈内垂直于地球表面,即沿地球半径方向发生的位移。它常常表现为大面积的上升、下降或升降交替运动,改变地表地形的高度,引起海陆变迁等环境的变化。唐代的颜线)便注意到这种变化,留有“高石中犹有螺蚌壳,或以为大海所变。”(《抚州南城麻姑山仙坛记》)的记述,从高山上有螺蚌壳,想到这里从前可能是大海。

现代垂直变位和地面高度的变化,可以通过多年的地形重复水准测量获知。然而,要弄清古代和地质历史时期的垂直变位则困难要大得多,不过毕竟还是找到了办法。

人类认识古代岩石圈存在垂直位移的一个典型实例是意大利那不勒斯湾海岸附近塞拉比斯古庙的遗迹(图10-5)。1749年,考古工作者将该古庙废墟从火山灰中挖掘出来,发现古庙的三根高12m的大理石柱上都保留着一段有趣的遗迹。从石柱地基算起,到其上的3.6m处的柱面是光滑的,显然一直被火山灰所掩埋;从3.6~6.3m处有很多海生动物钻凿的痕迹,说明被海水淹没过;从6.3m到柱顶,表面不太光滑,显然是遭受了风化,说明它没有被海水淹没过。据此,结合考古资料研究,确定这个建成于公元前105年古罗马时代的三根大理石柱曾经是高于海平面的,后来逐渐下沉到海平面之下,海水曾在公元1500年淹没到6.3m,使没有被火山灰掩埋的3.6~6.3m段被海生动物所钻凿。公元1600年开始上升。到发掘时,三个石柱已全部升出海面。1826年石柱又被淹没了0.3m,到1878年淹没了0.65m,到1913年淹没了1.53m,到1945年被淹了2.5m。在此期间,全球海平面并未相应发生这样的变化,石柱上体现的海平面变化不是海水量变化所致。显然在古庙建成以来,该地区曾经历过三个升降速度不同的过程,公元1500年以前平均每年下降3.9mm;公元1600年以后变为上升,平均每年上升4.2mm;19世纪开始又转为下降,平均每年下降17.2mm。其中公元1500年以前的下降速度,由于缺乏更多的依据,所得下降速度可以看做是这1605年之间升、降相抵之后的净下降速度。这是用考古学的方法来研究岩石圈垂直变位的一个很好的实例。

岩石圈的垂直变位经常可造成河流阶地及山区的夷平面。在岩石圈相对稳定时期,河流以侧方侵蚀为主,使河谷变得越来越宽,地形趋于平坦。然而,在岩石圈处于相对隆升时期,河流向下侵蚀作用加强,使河床降低,原有的河漫滩相对升高,以致形成分布于河谷坡上、洪水已不能淹没的、顶面较平坦的台阶状地形,称为河流阶地(valley terrace)。如该区岩石圈稳定与升降多次交替相间出现,那么在河谷就可形成多级阶地(图10-6)。

在岩石圈处于相对稳定时期,流水和其他各种剥蚀作用将长期对陆地表面进行改造,其总趋势是“削高填低”,即把原来地表高差较大的高山头削掉,同时又把破坏下来的物质搬运到地表低洼处堆积下来,使地形高差越来越小,整个区域的地形变得相当平坦。当然此时通常还零星分布一些高度不大的剥蚀残丘。这种近似平原的地形就称为准平原(peneplain)。当地表地形演变到准平原阶段之后,如果地壳又重新上升,那么准平原被抬高,并将再次遭受剥蚀而成为山地。此时在山地的顶部可以残留原有准平原的遗迹,即形成相当平坦的山顶,其上可见到准平原时期的沉积物或风化壳,它代表了已被破坏的原来准平面的表面,这种地形面,就称为夷平面(planation surface)。根据夷平面上沉积物或风化壳可以测定其形成年代,由夷平面现在与过去高度的差异可推算出准平原形成后该区岩石圈的上升幅度。例如,近年来的研究成果表明,具有“世界屋脊”之称的我国青藏高原,在始新世时期(约4000万年前),该区岩石圈比较稳定,形成地势起伏较小的准平原,根据植物化石群与孢子花粉的特征,推测该准平原的海拔高度约为500m。上新世晚期(约350万年前)已高达3000m,第四纪以来(最近250万年)青藏高原进一步隆升,原来的准平原解体,遭受剥蚀,切割成为不同的夷平面。彩图Ⅷ2是青藏高原西北缘的夷平面,远眺阿尔金山夷平面,山顶平均高程为4000m,低地为索尔库里谷地,与山顶的高差约为500m。现在这些夷平面的海拔高程,据万晓樵(1998)的研究结果,一般在4000~5000m左右。由此可以推算出在大约4000万~350万年前的期间(始新世至上新世),青藏高原的平均隆升速度为0.07mm/yr,第四纪以来更增快为0.29mm/yr。

利用沉积物的厚度及其所反映的环境来研究古代岩石圈垂直运动的特征,是近百年来地质学最常用的方法之一。例如,利用沉积岩能反映沉积环境(图10-7),从某一地区岩层的性质,查出它们自下而上,依次是在浅海、河流、滨海、浅海中形成的,便可推测出该区岩石圈经历了早期(第2层沉积时)隆升、晚期(第3、4层沉积时)逐渐转为沉降的历史(图10-7)。在岩石圈稳定的情况下,一定沉积环境中形成的沉积物厚度是有限度的,例如在浅海地区,沉积厚度的极大值一般不超过200m。河流、湖泊沉积的最大厚度,一般为几十米。这是因为当沉积凹地被填满时,沉积作用即终止。但是,许多地区都发现沉积物(岩)反映的沉积环境不变,而其厚度却大大超过了相应沉积环境的极大值。例如,在我国北京天津蓟县一带,中、新元古代的浅海沉积岩系厚度可达上万米。这只能用该时期该区岩石圈不断下降,因而虽不断有沉积物堆积,但仍能保持浅海沉积环境来解释(图10-8)。在这里,沉降幅度与沉积厚度一般大体上相等,沉积厚度可大致反映岩石圈下降的幅度。

在连续沉积并且地壳缓慢下降的条件下,上、下沉积地层之间的接触关系就叫做整合接触(conformity,图10-9A)。不过,能反映岩石圈曾经隆升的地层接触关系,则有两种,即假整合接触与不整合接触。假整合(disconformity)又称平行不整合(para-conformity),其特征是上、下两套沉积地层的产状基本保持平行,但两套地层的形成年代不连续,其间存在着反映沉积间断和风化剥蚀的古剥蚀面(图10-9B)。假整合反映了该区岩石圈曾经有一次显著的隆升与下沉运动。不整合接触(uncon-formity),其特征是两套地层之间存在着代表长期风化剥蚀与沉积间断的剥蚀面,上、下两套地层的产状不一致,下伏地层以明显的角度与剥蚀面相交,上覆地层则与剥蚀面大致平行,产状基本一致(图10-9C)。所以,角度不整合不仅反映该区岩石圈存在过垂直升降位移的变迁,而且表明下伏地层曾经经历过构造作用而发生的岩石变形作用。

利用假整合或不整合,可以大致确定构造事件的年代。构造事件必定发生在不整合面之下的最年轻岩石(沉积岩、岩浆岩或变质岩)形成之后,而在不整合面之上的最老地层形成时代之前。这就是确定构造事件形成年代的一条基本方法。构造作用时间就是发生在不整合形成时期之中。不过,实际上,要准确测定构造事件形成年代是相当困难的,不整合面上、下两个年代间隔越短,那么所确定的构造事件形成年代的准确度就越高。

与确定岩石圈垂直变位相比,水平变位(horizontal displacement),尤其是大幅度水平变位更加难以被人们所认识。有趣的是,最早发现并鼓吹岩石圈存在大幅度水平变位的并非地质学家,而是一位德国的古气象学家魏格纳(A.L.Wegner,1880~1930)。他于1912年首先发表了大陆漂移假说(continental drift hypothesis)的观点。魏格纳起初从大西洋两岸,尤其是南美洲和非洲海岸线弯曲形状的相似性中得到启发(图10-10),后来他进一步发现美洲、欧洲与非洲在地层、古生物化石和地质构造上都有着惊人的相似性。例如,北美洲的阿巴拉契亚纽芬兰的褶皱山系可以越过大西洋与北欧的苏格兰、斯堪的纳维亚半岛的褶皱山系遥相呼应,它们都是在早古生代末期(400Ma左右)形成的。非洲西部的古老岩区,可以与南美洲巴西的古老岩区相连接,后来证明它们都形成于20亿年以前,并且两者之间在岩石结构、特征上也相当一致。他还利用古生物化石的研究成果指出,发育在冷湿气候条件下的石炭纪二叠纪舌羊齿类植物散布于澳大利亚、印度、南美洲与非洲等南方诸大陆,现在它们都远隔重洋。曾经有一些古生物学家以为这些大陆之间存在过“陆桥”,这样才好解释远隔重洋的大陆竟然有几乎完全一样的植物。魏格纳认为“陆桥”的假说是难以成立的,不如说这些散布在南半球的大陆曾经是直接毗连在一起更好一点。在魏格纳的大陆漂移说中,古气候证据也是很有说服力的。其中,尤其是晚古生代冰川的分布最有说服力。当时在南美洲、非洲、澳大利亚、印度和南极洲(这些大陆统称为冈瓦纳大陆)都广泛发育过冰川。从冰川遗迹分布的规模和特征判断,当时冰川的中心地区应该发育在南极附近,其性质属于大陆冰川。而且南美洲、印度和澳大利亚的古冰川遗迹主要残留在这些陆块的边缘,冰川运动方向是从海岸指向内陆,表明古冰川不是起源于本地。如果按照大陆位置固定不变的观点,要解释上述冰川遗迹是十分困难的。然而,从大陆漂移说来看,这些遗迹反而成为有力的证据。如果假设晚古生代时上述大陆是联结在一起的,冰川中心在非洲以南的古陆,古大陆冰川由中心向四周呈放射状流动(图10-11)这样就很合理地解释了古冰川的流动方向与分布。

魏格纳还从重力、地磁、地震波、大地测量等方面提供的材料得到一些证据,但限于当时科学研究的条件,材料不够充分和精密,如所引用的格陵兰岛向西漂流速度达36m/yr之多,远远大于后来测定的数值。而所设想的固体大陆为什么能在固体地幔上漂移,其动力学机制是什么,则更是一个大难题。因此在1928年专为大陆漂移说召开的一次学术讨论会上,受到地质学、古生物学、地球物理学几方面学术权威们的一致反对。这个轰动一时的新假说,随之销声匿迹。其实魏格纳自己也早已注意到:“不论在过去和现在,形成大陆漂移的动力问题一直处在游移不定的状态中,还不可能得出一个满足各个细节的完整答案。”(A.F.Wegner,《The Origin of Continents and Oceans》,中译本,商务印书馆,1964,170页)。

图10-10 南美洲和非洲根据岩石和构造特征所进行的拼合(据W.K.汉布林,1975)

科学发展到20世纪中期,由于海洋古地磁研究的成功,海洋调查与全球地震台网的建立,以及古生物、古气候、古地理研究的进展,证明大陆岩石圈确实可以发生数百万米的水平位移,大陆漂移说才重新受到重视,板块构造学说就在此基础上诞生。

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